2021年6月1日，中国电力变压器能效新标准———电力变压器能效限定值及能效等级（GB20052－2020）正式实施。新标准是基于原配电变压器标准GB20052－2013和原电力变压器标准GB24790－2009合并而成，基本涵盖从10kV到500kV的所有电力变压器。新能效标准中能效等级共分1、2、3三个等级，其中各级能效较原标准有了较大幅度的提升。基于新标准，2021年1月，国家工信部、市场监督总局、国家能源局联合印发《变压器能效提升计划（2021－2023年）》的通知，计划明确要求：到2023年，高效节能变压器（符合新修订《电力变压器能效限定值及能效等级》（GB20052－2020）中1级、2级能效标准的电力变压器）在网运行比例提高10%；当年新增高效节能变压器占比达到75%以上。这就要求终端用户在变压器招标时尽量使用变压器能效等级高的产品。
新标准和新计划的出台也加速推动取向硅钢生产企业提高产品等级。经过近几年快速发展，宝钢已经成为全球领先的取向硅钢制造商，已批量生产高磁感取向硅钢P系列、激光刻痕取向硅钢R系列、普通取向硅钢G系列、低噪声取向硅钢ＬM系列、特殊涂层取向硅钢W/Y/Z系列、耐热刻痕取向硅钢HS系列等六大类别70余个牌号取向硅钢产品系列，厚度涵盖了0.18～0.35mm产品，可以满足不同客户的使用需求，见表1。各个牌号具体性能参数可以参照宝钢企标《Q/BQB485－2021全工艺冷轧取向电工钢带》。
表1 宝钢低铁损取向硅钢顶级产品与国际最高等级对比
根据前期研究，随着硅钢牌号等级的提升，变压器性价比显著提高，每提升一个牌号，变压器性价比提升达3%～4%。本文结合新能效标准，针对宝钢低铁损取向硅钢产品应用实绩，给出选材建议，并针对产品使用过程中存在的问题进行了剖析，以期对变压器制造厂家选材和使用起到参考作用。
1、新标准下取向硅钢选材推荐
根据变压器类别，表2对比了新老标准铁心选材的变化。可见，新标准下取向硅钢选材比原标准普遍提高1～2个牌号。以油浸式配电变压器为例，新能效2级变压器取向硅钢选材基本上要选用B23R080及以上等级，新能效1级变压器，取向硅钢选材一般要在B23R070或B20R070及以上水平。
0.18mm和0.20mm取向硅钢的应用，对剪切硅钢片的设备和剪切工艺均提出更高的要求，通过前期的研究和分析，目前薄规格产品的剪切已基本上不再是材料使用的限制因素。
表2 新标准下叠铁心变压器取向硅钢选材推荐
2、宝钢低铁损取向硅钢应用实绩
变压器主要有平面叠铁心和立体卷铁心两类铁心结构。叠铁心主要是将分条后的硅钢片经横剪成一定的片型，再将硅钢片叠积起来，形成铁心。卷铁心主要是靠硅钢带材卷绕而成，然后进行铁心退火，这种结构和工艺可以充分地发挥材料的磁性能，比叠铁心空载损耗及空载电流相对要小。下面结合公开的文献报道对低铁损取向硅钢典型牌号的应用进行介绍。
2.1叠铁心领域
表3列出了部分低铁损取向硅钢试制叠铁心变压器的结果。可以看出，若采用叠铁心形式达到高能效等级水平，一方面使用低损耗取向硅钢，另一方面必须对结构、制造等进行优化。特别是对于首次使用高性能B20R065硅钢片，对硅钢片的实际性能和工艺制造都还要有一个熟悉了解过程。2021年宝钢和吴江变压器厂联合实验室制造援藏2台干式配电变压器，按5000m海拔设计，铁心材料选用B20R065硅钢片，变压器空载损耗较能效1级优10%以上，见表4，经测算这2台干式配电变压器全寿命周期可节能4.3万kWh。
2.2卷铁心领域
王晓燕等研究发现，薄规格取向硅钢的服役损耗与标准测量损耗的比值较低，说明用薄规格取向硅钢制造立体卷铁心有明显优势。文献认为，若达到新能效等级标准，除了优化变压器的设计，在满足负载损耗的前提下，要选择性能最好的硅钢片，尽力提高铁心截面的填充系数，降低铁心角重及减少附加损耗等。以一台200kVA/10kV，低压400V的配电变压器作为试制对象，选择B18P075低铁损取向硅钢，铁心采用立体三角形，由3个单框绕制完成后经高温退火然后拼合成正三角形，铁心柱磁通密度约1.3T，相应铁轭中磁通密度约1.51T，最终成品检测结果见表5，可见产品空载性能指标满足GB20052－2020标准，为后续产品设计制造打下良好基础。
表3 部分低铁损取向硅钢试制结果
表4 B20R065制造的援藏变压器情况
表5 B18P075试制卷铁心性能情况
综上可见，宝钢低铁损取向硅钢通过发明技术新路径，构建超低损耗取向硅钢完备的制造工艺体系，制造的低铁损取向硅钢在叠铁心和卷铁心领域都获得广泛应用。宝钢牵头的《特高压高能效输变电装备用超低损耗取向硅钢开发与应用》也获得2020年度国家科学技术进步奖二等奖，大大支撑了节能型变压器的发展。
2.3节能型变压器在宝钢厂内的应用实践
近年来宝钢结合厂区升级改造的配电变压器，将采购标准全部升级为新能效标准的1级，铁心材料选用065及以上等级，目前已经改造近800台。如图1所示，经测算单台年节电约4000元，年节电量约320万元。另外，宝钢结合现场冷轧单元主变的改造，在2030mm产线的2台SFSZ－140000/110kV电力变压器中全部采用B20R070超薄取向硅钢制造铁心，节能成本747.5万元，远远大于投资增加的变压器铁心成本。
图1 宝钢节能示范图解
3、产品使用存在的问题及解决方案
3.1工艺系数问题
变压器铁心工艺系数是指变压器铁心的空载损耗与铁心材料铁损的比值，反映了一个厂家铁心生产的控制水平，但受铁心结构状态、制造水平影响。由于剪切后的薄规格取向硅钢片边部应力应变相对于厚规格材料更为明显，这类更薄、更高等级产品，对用户剪切质量要求比较高，如果达不到剪切质量的要求，难以发挥出材料的优势，剪切质量差致使材料磁畴结构发生变化，制成铁心后，损耗上升，工艺系数往往偏高。因此，若要降低工艺系数，必须提高剪切质量，通过合理匹配重合量和间隙，同时可考虑减少刀具磨损并保证剪切质量，确定性价比最高的剪切参数。
3.2叠片系数问题
叠片系数简单地说就是变压器叠片铁心的有效面积系数，叠片系数越高，铁心的有效面积越大，使磁通密度减少，损耗降低。在制造过程中，硅钢片搭片、错片、毛刺、弯曲等缺陷会导致叠片系数降低，从而导致变压器性能降低，如过大的毛刺会使片间短路，铁心的涡流损耗增加。叠片系数除取决于加工过程的影响，还决定于材料的本身，如材料厚度允许偏差、平整度等。图2为不同厚度取向硅钢叠片系数的统计结果，由图可见，每降低一个厚度规格，叠片系数约降低0.5%。叠片系数降低也增加了铁心叠片的工作量，降低了生产效率。近年来宝钢针对此问题，通过特殊的工艺控制，在同等损耗不降低的前提下，实现叠片系数0.5%～1%的提升。图3为0.2mm产品的试验结果，由图可见，工艺优化卷叠片系数提高0.65%，同性能原料和同工况条件下，制成400kVA铁心，其空载损耗优于常规产品2.8%。目前部分牌号已经实现批量化生产，可以为客户带来给多附加值。
图2 取向硅钢不同厚度叠片系数比较
图3 0.2mm产品工艺优化卷和常规卷比较
3.3噪声问题
随着新能效标准的实施，对变压器损耗的要求大幅提高。另一方面，随着绿色环保概念的深入人心，越来越多的客户也更加关心变压器噪声问题。因此很多国内客户和欧洲变压器企业也提出要求低损耗、低噪声兼具的产品。为了降低取向硅钢磁致伸缩，宝钢通过工艺参数优化，实现噪声曲线（BＵTTＥRFＬY）的最优化控制，噪声水平（AWV）降低2ｄBA，如图4所示，产品市场竞争力显著提升。目前宝钢0.23mm、0.27mm、0.30mm各主要牌号已经实现批量化低噪声取向硅钢（ＬM系列）的生产，可以为客户带来更多附加值。
3.4低成本制造技术
低铁损取向硅钢制造除面临磁性能不稳定、底层差等难题外，可制造性是必须解决的问题，如冷轧容易断带、产品经历高温烧结后产生粘结，这不可避免的降低了热拉伸退火作业效率，增加制造成本。宝钢自主设计集成出世界首套薄带高效产线，包括具备自动换辊和板形全自动控制功能的新型森吉米尔轧机，通过开发取向硅钢冷轧脆断控制技术系统（轧前预热、森吉米尔二十辊可逆轧机目标板形精细设定及板形智能控制等薄带自动冷轧技术），解决了薄带取向硅钢冷轧易脆断、板形控制难等关键问题；通过开发具备高精度露点控制与MGＯ自动配液功能的脱碳退火、具备120座钢卷高效退火与保护气氛精确控制能力的高温环形炉、具备在线高速激光刻痕和缺陷智能检测的热拉伸平整，解决了低铁损取向硅钢制造过程中的通板问题，生产成本大大降低。另外，在生产流程方面，近年来宝钢对薄带连铸、薄板坯连铸连轧流程等短流程制备低铁损取向硅钢也进行了初步探索，制造成本有望进一步降低。
图4 低铁损取向硅钢噪声性能改进前后对比
4、结语
1）随着国家新能效标准的实施，要求变压器制造企业提高变压器能效等级，也促使取向硅钢生产企业提高产品等级。新标准下取向硅钢选材比原标准普遍提高1～2个牌号；
2）宝钢已经成为全球领先的取向硅钢制造商，形成六大类别70余个牌号取向硅钢产品系列，可以满足不同能效变压器的使用需求，低铁损取向硅钢在平面叠铁心和立体卷铁心均有广泛应用，特别是近年来宝钢结合厂区升级改造的配电变压器将采购标准全部升级为新标准1级能效，铁心材料选用065及以上等级，创造了可观的经济效益；
3）低铁损取向硅钢产品使用过程中存在工艺系数、叠片系数、噪声、低成本制造等方面问题，本文进行了分析并给出了相应的解决方案，以期对变压器制造厂家选材和使用起到参考作用。
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